【文章內(nèi)容簡介】 面就硅晶體做成的半導體加以說明。眾所周知，摻有磷雜質(zhì)的硅含有多余電子，稱為 N型半導體；摻有硼雜質(zhì)的硅含有多余正電荷，稱為 P型半導體。若將兩者結(jié)合，稱為 PN結(jié)，這就是半導體器件的最基本結(jié)構(gòu)。太陽能電池同樣是利用了 PN結(jié)的光伏效應。 在 PN結(jié)中， P型半導體的電子受到拉力， N型半導體的正電荷受到拉力，在結(jié)合處形成 正負抵消的區(qū)域，形成阻擋層。此時，如有光照射，則激發(fā)電子自由運動流向 N型半導體；正電荷則集結(jié)于 P型半導體，從而產(chǎn)生了電位勢。如果外接燈泡 (負荷 )，就有電流流動 [3]。 (2)硅太陽能電池工作原理及結(jié)構(gòu) 硅原子有 14個電子，分布在三個電子層上，里面的兩個電子層均已填滿，只有最外層缺少四個電子為半滿。為了達到滿電子層穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，每個硅原子只能和它相鄰的四個原子結(jié)合成共用電子對，平面看起來就像所有的原子都是手挽手，交錯連接形成它特有的晶體結(jié)構(gòu)，把每個電子都固定在特定的位置上，不能像銅等良導體中的自由電子那樣自由移動 ，因此，也就決定 8 了硅不是電的良導體。實際用于太陽能電池的硅是經(jīng)過特殊處理的，也就是采取了摻雜工藝。 N型半導體中含有較多的空穴，而 P型半導體中含有較多的電子。當 P型和 N型半導體結(jié)合在一起時，在兩種半導體的交界面區(qū)域里會形成一個特殊的薄層，界面的 P型一側(cè)帶負電， N型一側(cè)帶正電。這是由于 P型半導體多空穴， N型半導體多自由電子，出現(xiàn)了濃度差。 N區(qū)的電子會擴散到 P區(qū)， P區(qū)的空穴會擴散到 N區(qū)，一旦擴散就形成了一個由 N指向 P的“內(nèi)電場”，從而阻止擴散進行。達到平衡后，就形成了這樣一個特殊的薄層，這就是 PN結(jié)。 當摻雜的 硅晶片受光后， PN結(jié)中， N型半導體的空穴往 P型區(qū)移動，而P型區(qū)中的電子往 N型區(qū)移動，從而形成從 N型區(qū)到 P型區(qū)的電流。然后在 PN結(jié)中形成電勢差，這就形成了電源。 由于半導體不是電的良導體，電子在通過 PN結(jié)后，如果在半導體中流動，電阻非常大，損耗也就非常大。如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋 PN結(jié)（如梳狀電極），以增加入射光的面積 [4]。 (1)晶體硅太陽能電池發(fā)展 1839年，法國 Becqueral第一次在化學電池中觀察到光伏效應。在 太陽能能電池的整個發(fā)展歷程中，先后出現(xiàn)過各種不同結(jié)構(gòu)的電池，其中同質(zhì)PN結(jié)電池結(jié)構(gòu)自始自終占主導地位，其他結(jié)構(gòu)對太陽能電池的發(fā)展也有重要影響。 由于科技的進步，晶圓厚度、切割技術(shù)、晶圓尺寸，以及晶圓價格，均有了長足的改善。 (2)晶體硅太陽能電池方陣 太陽能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，太陽能電池單體的工作電壓約為 ，工作電流為 20～ 25mA/cm2，一般不能單獨作為電源使用。將太陽能電池單體進行串、并聯(lián)封裝后，就成為太陽能電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，是可以單獨作為電源使用的最小單元。太陽能電 池再經(jīng)過串、并聯(lián)組合安裝在支架上，就構(gòu)成了太陽能電池方陣，可以滿足負載所要求的輸出功率，如圖 21所示。 9 單體 組件 方陣 圖 21 太陽能電池單體、組件和方陣 常用的太陽能電池主要是硅太陽能電池。晶體硅太陽能電池由一個晶體硅片組成，在晶體硅片的上表面緊密排列著金屬柵線，下表面是金屬層。硅片本身是 P型硅，表面擴散層是 N區(qū)，在這兩個區(qū)的連續(xù)處就是所謂的 PN結(jié)。 PN結(jié)形成一個電場。太陽能電 池的頂部被一層抗反射膜所覆蓋，以減少太陽能的反射損失 [5]。 (3)太陽能電池組件 太陽能電池組件的作用是將太陽的光能轉(zhuǎn)化成電能后，輸出直流電存入蓄電池中。太陽能電池組件是太陽能光伏系統(tǒng)中最重要的部件之一，其轉(zhuǎn)換率和使用壽命是決定太陽能電池是否具有使用價值的重要因素。 太陽能電池組件可組成各種大小不同的太陽能電池方陣，亦稱太陽能電池陣列。太陽能電池板的功率輸出能力與其面積大小密切相關(guān)，面積越大，在相同光照條件下的輸出功率也越大。太陽能電池板的優(yōu)劣主要由開路電壓和短路電流這兩項指標來衡量。 太陽能電池組件由以 下材料組成 [6]： 電池片、鋼化玻璃、 EVA、 TPT、鍍錫銅帶、密封膠、接線盒、邊框。 太陽能電池組件設計 根據(jù)設計指標要求，為滿足功率 18W的 LED每天工作十小時，保證連續(xù)3～ 5個陰雨天持續(xù)工作，太陽能電池板每天接收 6小時 1000W/m2強度太陽光，電池板吸收太陽能量到 LED的功率損耗為 20%。 太陽能電池組件的電氣參數(shù)設定如下： 10LED按 5天每天工作十小時計算， 消耗能量： P1=18 50 3600=3240000J 太陽能電池板所需功率： P2=P1/=4050000J W=P2/6/3600= 組件選用 180W，可提供 30V充電電壓的排布方式 [7]。 11第 3章 蓄電池充電與 LED 路燈控制技術(shù) 蓄電池主要參數(shù) 了解蓄電池主要參數(shù)的物理意義是光伏照明系統(tǒng)中有效使用蓄電池的前提之一，其具體參數(shù)如下： 1．蓄電池體內(nèi)電動勢 電動勢為蓄電池在理論上輸出能量多少的亮度。一般來說，在相同的條件下，電動勢愈高的蓄電池，輸出的能量愈大，使用價值愈高。理論上，蓄電池的電動勢等于組成蓄電池的兩個電極的平衡電動勢之差。 2．開路電壓與工作電壓 蓄電池在開路狀態(tài)下的端電壓稱為開路電壓。其值等于蓄電池的電動勢。蓄電 池接通負荷后在放電過程中顯示出來的電壓，亦稱負載電壓或放電電壓。在蓄電池放電初始時的工作電壓稱為初始工作電壓。 3．蓄電池的容量 蓄電池在一定放電條件下所能給出的電量稱為蓄電池的容量，該容量是蓄電池能放出電量的總和。常用單位為安培小時，簡稱安時 (Ah)。 4．蓄電池內(nèi)阻 電流通過蓄電池內(nèi)部時受到各種阻力，使蓄電池的電壓降低，該阻力總和稱為蓄電池的內(nèi)阻。蓄電池內(nèi)阻是一個綜合參數(shù)，是活性物質(zhì)、電介質(zhì)、隔膜、電極接頭等所有蓄電池內(nèi)部電阻之和。蓄電池內(nèi)阻不是參數(shù)，因為活性物質(zhì)的組成、電解液濃度和溫度都在不斷地改變， 所以蓄電池內(nèi)阻在放電過程中隨時間也在不斷變化。 5．蓄電池的能量 蓄電池的能量是指在一定放電制度下，蓄電池所能給出的電能，通常用瓦時表示，它也表示蓄電池放電的能力。 6．蓄電池功率與比功率 蓄電池的功率是指在一定放電制度下，單位時間內(nèi)所給出能量的大小，單位為 W(瓦 )或 KW(千瓦 )。單位質(zhì)量蓄電池所能給出的功率稱為比功率，單位為 W/g或 KW/g。蓄電池比功率越大，表示可以承受的放電電流越 12大。 7．蓄電池的輸出效率 蓄電池的輸出效率也稱為充電效率。光伏照明系統(tǒng)所選擇的蓄電池應為可逆的蓄電池，實際的蓄電池都不能作 為理想的儲能器，在工作過程中必有一定的能量消耗，通常用容量輸出效率和能量輸出效率來表示。 蓄電池的充電 蓄電池的充電方式 充電是蓄電池得以可持續(xù)工作的重要手段，也是光伏照明系統(tǒng)得以持續(xù)工作的必備條件。充電設備和充電技術(shù)是做好充電工作的重要技術(shù)基礎。傳統(tǒng)的充電方式可分為恒流充電、恒壓充電及其它類型 [8][9]。 1．恒流充電 恒流充電方式是一直以恒定不變的電流進行充電，該電流采用控制充電器的方法來達到。這種通過控制充放電器維持電流的方法操作簡單、方便，易于做到。該充電方法特別適合于由多個蓄電池串聯(lián)的蓄電池 組。要使蓄電池放電慢，且其容量易于恢復，最好采用這種小電流長時間的充電模式。 恒流充電方式的不足是：開始充電階段恒流值比可充值小，在充電后期恒流值又比可充值大；整個充電時間長，析出氣體多，對極板沖擊大，能耗高，充電效率不超過 65％。一般免維護的蓄電池不宜于使用此方法。 分段恒流充電是恒流充電的一種變型。該方法是在充電后期 ， 把電流減小，以避免充電后期電流過大。通常按照光伏照明系統(tǒng)的要求以及蓄電池的特性來確定充電電流的大小、時間、轉(zhuǎn)換電流的時刻以及充電終止的判斷依據(jù)等。 2．恒壓充電 該方法主要針對每只單體蓄電 池以某一恒定電壓進行充電。充電初期電流非常大，隨著充電進行，電流逐漸減小，在充電終期只有很小的電流通過。此方法比較簡單，充電過程中不需要調(diào)整電流。充電過程中析氣量小，充電時間短，能耗低，充電效率可達 80％。如充電電壓選擇得當，可在數(shù)小時內(nèi)完成充電。其缺點是：在充電初期，如果蓄電池放電深度過深，充電電 13流會很大，不僅危及充電器的安全，蓄電池也可能因過流而受到損傷；另一方面，如果充電電壓選擇過低，后期充電電流又過小，充電時間過長，不適宜串聯(lián)數(shù)量多的蓄。電池組充電；同時，蓄電池端電壓的 變化很難補償，充電過程中對低電 壓蓄電池的完全充電也很難完成。恒 壓充電一般應用在蓄電池組電壓較低的場合。 3．恒壓限流 采用恒壓限流的方法主要為彌補恒壓充電的缺點。在光伏照明系統(tǒng)的充放電器與蓄電池之間串聯(lián)一個電阻。當電流大時，其上的電壓降也大，從而減小了充電電壓；當電流小時，由于電阻上的電壓降也很小，充電器輸出電壓降損失就小。這樣就自動調(diào)整了充電電流，使之不超過某個限度，充電初期的電流得到控制。該方法的缺點是串聯(lián)電阻將消耗部分電能。 4．快速充電 快速充電一般使電流以脈沖方式輸給蓄電池，并隨著充電時間的延續(xù)，蓄電池有一個瞬時間的大電流放電 ，使其電極去極化。它能在短時間內(nèi)將蓄電池充足電，既不用恒流大電流，也不用較高的恒定電壓，后兩者都會使蓄電池很快升溫，損傷電極和浪費電能。 快速充電由專用的充電器提供脈沖電流，它能保證充電時既不產(chǎn)生大量氣體又不發(fā)熱，從而達到縮短充電時間的目的。快速充電是光伏照明系統(tǒng)中充電的主要模式之一。 5．智能充電 智能充電是動態(tài)地自動跟蹤蓄電池可接受的充電電流，使充電電流與蓄電池內(nèi)部極化電流相一致，也稱為最小損 耗充電模式。在常規(guī)的充電技術(shù)中，不能動態(tài)跟蹤蓄電池的實際狀態(tài)和 接受充電電流大小。智能充電系統(tǒng)由充電器與被充電蓄電 池組成二元閉環(huán)電路，充電器根據(jù)蓄電池的狀態(tài)確定充電參數(shù)，充電電流自始至終處在可接受的充電電流曲線附近，使蓄電池幾乎在無氣體析出條件下充電，做到既節(jié)約用電又對蓄電池無損傷。該充電方式的實施需要知道蓄電池接受充電電流曲線，智能充電是光伏照明系統(tǒng)中充電技術(shù)的發(fā)展方向。 蓄電池的充電拓撲結(jié)構(gòu) 直流斬波電路，即 DC/DC變換器的功能是通過控制主回路中的電子開 14關(guān)的通斷，將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)的直流電。直流斬波電路的種類較多，包括 6種基本的斬波電路：降壓斬波電路 (Buck Chopper)、升壓斬波電路 (Boost Chopper)、升壓降壓斬波電路、 Cuk斬波電路、 Sepic 斬波電路和 Zeta斬波電路，其中前兩種是最基本的電路。一方面這兩種電路應用最為廣泛，另一方面理解這兩種電路可為理解其他電路打下基礎 [10]。 基于 UC3906 的蓄電池充電器 UC3906作為 VRLA蓄電池充電專用芯片，它具有實現(xiàn) VRLA蓄電池最佳充電所需的全部控制和檢測功能。更重要的是它能使充電器各種轉(zhuǎn)換電壓隨VRLA蓄電池電壓溫度系數(shù)變化而變化，從而使 VRLA蓄電池在很寬的溫度范圍內(nèi)都能達到最佳充電狀態(tài)。 UC3906內(nèi)部框圖如圖 31所示。該芯片內(nèi)含有獨立的電壓控制回路和限流放大器，它可以控制芯片內(nèi)的驅(qū)動器。該驅(qū)動器的輸出電流可達 25mA，可直接驅(qū)動外部串聯(lián)調(diào)整管，從而調(diào)整充電器的輸出電壓和電流。電壓和電流取樣比較器用來檢測蓄電池的充電狀態(tài)，并且控制充電狀態(tài)邏輯電路的輸入信號。當電池電壓或溫度過低時，充電起動比較器控制充電器進入涓流充電狀態(tài)。另外，當芯片內(nèi)的驅(qū)動器無輸出時，該比較器還能輸出 25mA涓流充電電流。這樣 ， 當電池短路或反接時，充電器開始只能輸出很小的充電電流，可以避免因充電電流過大而損壞電池。 UC3906的一個非常重要的特 性是：基準電壓隨環(huán)境溫度而變，并且變化規(guī)律與鉛酸電池電壓的溫度特性完全一致。因此，在很寬的溫度范圍(0~70℃ )內(nèi)，都能精確地檢測環(huán)境溫度，保證電池既充足電又不會嚴重過充電。 UC3906的電源電流只有 ，芯片的功耗很小。該芯片中，還有欠壓檢測電路。當電源接通后，欠壓檢測電路還能使邏輯電路輸出信號 。 指示輸入電源已經(jīng)接通。在過充電終止輸入端加入控制信號，可以終止過充電狀態(tài)，在過充電指示輸出端加入外接元件，可以監(jiān)控電他的過充電狀態(tài)。 15驅(qū)動器R QL1S2 5 0 m V2 5 m V電流取樣限流起動比較器電壓取樣比較器V r e f欠壓檢測V r e f2 . 3 0 V25 ℃3 . 9 m V /℃V r e fV r e f+ V i nR QL2S電壓放大器高 9 5 V r e f低 9 V r e f4132CLC S O U TC S +電源指示過充電終止 875+ V I NGND 6流入16流出15補償1413 電壓檢測11 涓流偏置12 充電起動10狀態(tài)電平控制9 過充電指示C S 圖 31 UC3906內(nèi)部結(jié)構(gòu) 表 31和 32分別介紹了 UC3906的管腳功能和電氣參數(shù) [11]。 表 31 UC3906 管腳功能